欧洲重燃核聚变


  一个研究小组已经重新启动世界上最大的核聚变实验,就是欧洲联合环形加速器(JET:Joint European Torus)反应堆,在英国牛津(Oxford)附近,此举向追求实用核聚变迈出了一步。

  该项目被搁置,是因为要安装一个新的内衬。这个内衬模仿国际热核实验反应堆(ITER:International Thermonuclear Experimental Reactor)的规划配置,这是一个全面的实验性核聚变反应堆,正在建设中,就在法国南部。因此,欧洲联合环形加速器的这项新任务被称为国际热核实验堆类墙项目(ITER-Like Wall Project)。

  欧洲联合环形加速器小组说,这种内衬是用轻金属铍砖制成,应能够更好地承受所需要的极端条件,用于自我维持的核聚变反应,胜过之前使用的碳纤维复合瓷砖。这种内衬也可用于激光驱动的聚变实验,类似于加利福尼亚州(California)国家点火设施(National Ignition Facility)中正在进行的那些。

  欧洲联合环形加速器是一个托卡马克(tokamak)装置,用于进行磁约束核聚变。它的环形反应堆包含的等离子体是用氢制成,这种氢受到强大磁场的挤压。最终,磁压力和热促使氢原子核聚变成氦,释放出迸发的能量,也释放出高能中子。

  欧洲联合环形加速器是世界上唯一的托卡马克装置,配备使用氚(tritium),也就是氢的放射性形态,它的原子核含有两个中子,也使用单中子形态,就是氘(deuterium)。迫使这两种形态的氢相聚合,会产生大量的能量。国际热核实验堆托卡马克装置建成后,也会采用这种形式的聚变。

  盖伊•马修斯(Guy Matthews)是国际热核实验堆类墙项目主任,他解释说,国际热核实验堆无法用碳衬运行。“这种材料中的电子往往会冲淡等离子体,每一个都会取代一个氢原子核,”他说。“这就是为什么碳被选中;它具有低原子数,而且碳纤维能承受高温。”

  把氚引入这种等离子体就有这个问题。马修斯说:“如果有它在墙内,它往往会在反应器中与氢形成烃类化合物,当氢的形态是氚时,这种碳氢化合物就会具有放射性。这是一个放射性问题,安全问题,也是一个经济问题,因为没有太多现成的氚,你又不想让它被困住。”

  对于欧洲联合环形加速器而言,这不是一个压倒性的问题;这种圆圈形状的“圆环”相对较小,大约两米直径,只运行几十秒钟的聚变脉冲。但是,国际热核实验堆的圆形加速器几乎有10倍大小,而且运行10分钟的脉冲;而商用聚变反应堆就要持续运行。

  铍(beryllium)砖用于改装欧洲联合环形加速器,被加工成精确的形状,带有深深切入的网格设计,用以防止压力形成,因为这种砖在反应器运行时会加热和冷却。

  这一反应堆内衬有5000块这样的瓷砖,覆盖了内部的每一部分,只是不包括环形加速器底部周围运行的沟槽。这就是所说的分流器,就是在这里,等离子体粒子放慢速度,释放出它们的能量。马修斯说,在这个阶段,等离子体直接接触内衬,内衬是钨瓷砖,因为在这一表面,较重的金属不太可能替换为较轻的氦和氢原子核。

  改装欧洲联合环形加速器用了15个月左右。之前内衬的所有瓷砖必须被剥离,换成铍或钨。反应堆外壳本身已呈现放射性,这是因为中子轰击,所以,大量的工作要进行远程操作。

  这项工作也可能会影响激光驱动的核聚变研究,这是克里斯•马修斯所(Chris Matthews)所说,他是高功率激光能源研究(HIPER:High Power Laser Energy Research)项目主任,欧洲的这一项目是要设计一个发电站一样的核聚变反应堆,运行依据的是同样的原则,就和国家点火设施一样。

  “第一个墙壁这个区域,我们和磁聚变有一个有趣的天桥,”他说。“这种环境是相当不同的,因为国际热核实验堆有一个恒定的等离子体负荷,而我们必须处理脉冲负载,但我们希望从研究中获益,这项研究正在进入国际热核实验堆类墙壁。”